面向深度學習的個人知識圖譜構建

史玉石 路紅

摘? 要 從深度學習理論出發，結合“以學生為中心、教師為主導”的教學理念，研究在課程學習過程中構建服務于學生深度學習過程的個人知識圖譜的方法，從而實現學生對知識的意義建構。同時，以Web程序設計課程為例，分析個人知識圖譜的構建方法。試驗結果表明，通過個人知識圖譜的構建可促進學生的深度學習，激發學生的學習興趣，提高學生的課程學習效率。

關鍵詞 深度學習;知識圖譜;MOOC課程;Web程序設計;具身學習;Web程序設計

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0001-04

Abstract Based on the theory of deeper learning and the teaching idea of “student-centered and teacher-led”， this paper studies the method of constructing personal knowledge graph for serving the students deeper learning during their curriculum learning， so as to

realize the construction of students meaning to knowledge. Mean-while， the Web Program Design course is used as an example to ana-

lyze the construction method of personal knowledge graph with the proposed method in this paper. The experimental results show that the proposed approach on constructing personal knowledge graph can promote students deeper learning， stimulate students leaning interest and improve their curriculum learning effect.

Key words deeper learning; knowledge graph; MOOC course; Web program design; embodied learning; web program design

1 引言

在知識經濟時代，培養具有終身學習、自主學習以及創新能力的高素質人才是教育教學改革的重要研究課題。相對于淺層學習，深度學習（Deeper Learning）是一種能夠促進學生自主學習、獨立自主解決實際問題和提升創新能力的學習方式，已成為促進當前教育理念與學習方式變革的重要學習理論[1]。為培養新時代社會所需的高素質人才，《教育信息化2.0行動計劃》指出，應強化以能力為先的人才培養理念，推動教育理念和教學模式變革，重構新的教育教學體系[2]。

傳統的課堂學習模式以教師講授為主，學生被動地接受知識。隨著教育信息技術的快速發展，結合信息技術的課堂教學轉變為PPT和多媒體音視頻等形式的多媒體課件播放，出現課堂上教師自問自答，學生有的聽講、有的睡覺、有的刷手機等問題。

另外，有很多學生用筆記方式記錄教師上課所指出的重點、難點，但大多數僅僅通過機械性地記憶課件上所寫內容，以順利通過期末考試，屬于淺層學習，無法將所學知識點遷移到實際問題中，也很難實現獨立解決問題和創新能力的培養，即無法實現深度學習的目標。隨著在線課程數量的急劇增加和知識產生與更新速度的不斷加快，如何為學生提供優質的深度學習服務，培養學生的批判性思維、問題解決能力和自主學習能力，成為當前教育信息化亟待解決的關鍵問題。

2 深度學習與知識圖譜

深度學習是一種高水平的認知方式，國內外學者對其從不同的視角進行界定。Biggs從深度學習與淺層學習存在的學習目標差異進行闡述，指出深度學習以知識遷移應用與創新作為學習目標[3]。景紅娜等強調，深度學習是能夠對學習內容進行批判性的高階思維以及主動的知識建構過程[4]。何克抗界定深度學習為動態的知識建構，強調具身學習，并指出達到深度學習的目標需采用多種教與學的策略，通過學生自身認知來提升問題解決能力與創新能力[1]。王亮界定深度學習是一種基于理解和應用的持續學習過程，以知識建構與遷移、問題解決和能力發展為目標，強調學習結果的應用和遷移[5]。

本文以具身學習理論為指導，將深度學習界定為：深度學習是一種學生能夠對知識進行深度理解和建構自身認知結構的過程，并能夠遷移到不同的應用情境中，以解決現實問題并逐步形成創新能力的學習過程。在課程教學中，這要求學生具備以下能力。

1）具有批判性思維能力。學生在知識接受的過程中，不要滿足于對知識的表面理解和機械性記憶，而是要學會用批判性的眼光審視知識，達到對知識點的深層理解。

2）具有建構自身知識結構的能力。學生在對新知識點深層理解之后，能夠建立新舊知識點的關聯，力圖建構自身認知結構。

3）具有解決實際問題的能力和創新能力。學生在對知識深度理解和自身認知建構的基礎上，應能夠將知識遷移到不同的實際應用情境中，以解決現實問題并逐步形成創新能力。為此，要求學生在學習過程中必須親身去實踐、去體驗、去探索，去反思，在親身經歷解決問題的過程中獲得對知識的重新認識和理解，以此完善已有的認知結構，從而提升解決實際問題的能力。此外，學生在探索解決問題過程中必定會發現一些問題和創新點，以此提升創新能力。

知識圖譜具有關聯性、結構性和導航性，為學生提供了一種以非線性方式建構認知結構的方法，幫助學生建立對新舊知識的理解和關聯，可視化記錄對自身認知有幫助的學習資源，避免因知識結構復雜而迷失學習方向甚至終止學習過程。劉紅晶等提出一種基于教師視角的SPOC課程知識地圖的構建方法，以利用知識地圖解決SPOC課程資源線性組織、課程知識體系不清晰等問題[6]。

本文以解決實際問題的每個知識點的核心概念作為知識實體的識別標準，每個知識實體包含多個屬性，如MOOC視頻、學習博客、問題討論及反思等。知識實體間的關聯用關系表示，如前后關系、父子關系、同級關系。這樣就構成“知識實體—關系—知識實體”三元組，用這些三元組構建相應的個人知識圖譜。

3 個人知識圖譜構建方法

無論是傳統的線下課堂教學，還是線上直播教學或線上線下混合式教學，從知識認知的角度來看，教師需要將所學課程內容教授給目標學生，使學生能夠掌握相應課程的知識內容。這樣，教師需講授的課程內容與學生現有知識結構之間的知識鴻溝，就是學生課程學習的核心內容。課程知識學習的過程，就是學生在教師指導下不斷縮小相應知識鴻溝的認知過程。

為了能夠讓學生對知識實體達到深度學習的三個能力目標，本研究著眼于深度學習理論，以學生為中心，運用多種教與學的方式，提出一種由知識發現、知識應用和知識創新三個階段所組成的個人知識圖譜構建方法（如圖1所示），通過具身認知來動態構建個人知識圖譜，實施深度學習。該模式的設計以學生構建個人知識圖譜為基準、以學生學習環節為主線，并將教師作為整個學習活動的設計者與引導者，將學習過程分為知識發現、知識應用和知識創新三個階段。

知識發現? 知識發現階段主要是教師依據已有的知識圖譜，通過MOOC視頻或者課堂講授知識實體，引導學生去理解知識圖譜所呈現的知識實體以及各個實體屬性。學生在知識發現階段是被動機械式接受知識，盡可能構建接近教師所呈現的知識圖譜，構建獲取到的個人知識圖譜。

知識應用? 知識應用階段是在教師的引導和指引下，學生在課堂外通過已構建的個人知識圖譜或豐富的網絡學習資源完成學習任務，達到對知識發現階段的知識圖譜的理解、遷移、探索和重構的目標。對于教師來說，需要設計符合已有知識圖譜結構的開放性課題，能夠讓學生對所學知識形成高級認知，并有可能把創意通過各種技術手段轉化成各種物質性或精神性的實體作品。對于學生來說，為了完成教師所布置的課題，通過各種豐富的網絡學習資源進行自主學習，將所學理論知識遷移到解決實際問題的課題中，在完成課題任務的過程中體會知識點的深層含義，糾正自己對知識點的錯誤理解，并且對該過程中出現的問題進行記錄并探索其解決方法，創新性地完成課題并反思知識圖譜中存在的問題，從而完善個人知識圖譜。

知識創新? 深度學習要求學生對知識點能夠用批判性眼光去看待知識點。在知識創新階段，學生以已生成的個人知識圖譜，通過學生間、學生與教師間的知識共享與交流，建立不同知識點以及不同課程知識圖譜的關聯，從中發現新知識、新應用，形成內容更加準確、豐富的個人知識圖譜，以達到深度學習的目標。該階段，學生已有自己認為較為完善的知識圖譜，共享交流階段在教師的引導下，學生間通過反饋、討論、交流，實現知識和技能的深化和提升，從而修正個人的知識圖譜。此外，教師可以借助該階段對學生自主學習進行的合適的監督和評價，提高學生的學習效率和質量。

4 個人知識圖譜構建方法在Web程序設計課程教學中的應用

為分析本文所提出的個人知識圖譜構建方法，這里以Web程序設計課程為例，探究其在課程教學中的實踐應用。在教學JSP內置對象時，教師以知識圖譜的方式逐步講解每個內置對象的作用以及各個接口的使用方法。在學生接受知識圖譜相關的知識點后，教師布置實驗任務——注冊登錄功能的設計與實現。學生在實驗過程中深入理解知識圖譜中每個內置對象的作用以及各個接口中參數的含義。

教學內容分析? Web程序設計是一門實用性與實踐性很強的課程，教學任務一般分為兩部分：一部分為基礎理論知識學習，主要讓學生通過微視頻和課堂授課方式對相關知識點和資源進行學習，并輔以練習和測試，實現對知識點的淺層學習;另一部分為作品設計實踐，以開放性課題的形式發布學習任務，且學習任務設計要充分考慮教學目標、任務總量，要充分考慮學生的認知負荷，在設計內容上要難易得當，內容可擴展，避免持續難度帶來的松懈或挫敗。

學生分析? 本研究以南京理工大學紫金學院2018級計算機相關專業兩個班級共計203名本科生為研究對象，這兩個班級的學生分別來計算機科學與技術專業和軟件工程專業。該年級學生通過一年的課程學習，對計算機類專業有了初步認識，并具備學習該課程的先前知識和技能。在智能方面，他們的思維具有更高程度的抽象性，具備自主學習、獨立思考的能力以及團隊協作精神。

教學過程? 以JSP知識模塊中的內置對象——Request的接口使用為例，在Web開發中經常會用到客戶端向服務器端發送請求信息，服務器端首先獲取客戶端的請求信息，然后依據其請求信息做出相應處理并返回給客戶端?；赪eb程序設計的特點，圍繞Request對象接口使用的教學目標，依據第3節所提出的個人知識圖譜構建方法，構建如表1所示的個人知識圖譜。

1）教師通過事先準備好的知識圖譜，講解和演示每個內置對象的作用以及各個接口的使用方法。學生在接受知識圖譜相關的學習內容后，還原出教師所演示的應用示例。

2）教師布置開放性實驗任務——注冊登錄功能的設計與實現，不限制注冊與登錄時所需要的信息、輸入信息的類型和Web頁面的數量等，旨在于讓學生在實驗過程中深入理解知識圖譜中每個內置對象的作用以及各個接口中參數的含義，建立與已學知識點關聯，從中發現新知識，以達到深度學習的目的。

教學效果分析? 認可度方面，課程實施之后，對參與實驗的203名本科生進行問卷調查，問卷包含10個封閉式問題和兩個開放性問題，即：你喜歡這樣的學習模式嗎？你是否還愿意繼續用這種學習模式學習其他課程？從問卷結果來看，有93.63%的學生喜歡這種學習模式，有87.65%學生愿意繼續用這種學習模式學習其他課程。

此外，在10個封閉式問題中，大部分學生認為通過構建個人知識圖譜這種學習路徑激發了學習興趣，并且學會了匯報研究成果，提升了自主探索和自主創新能力。由此可見，大部分學生對構建個人知識圖譜的學習模式認可度很高，也愿意繼續使用這種學習模式。

5 結語

深度學習作為近些年來學習方式變革的主要方向，是學生實現終身學習和自主學習的重要基礎。深度學習作為一種高級認知加工過程，離不開學生親自去感受、去體會、去探索、去反思，最后對知識進行建構。本研究提出一種構建個人知識圖譜的學習模式。實驗分析表明，學生對這種學習模式認可度較高。同時，該模式提高了學生解決實際問題的能力和創新能力。在完成學習任務的過程中，學生獲得了成就感，激發了學習興趣。此外，通過構建個人知識圖譜，對網絡學習資源進行有效標注，對利用人工智能實現課程重構帶來一定的幫助。接下來，將利用學生和教師共同完成的個人知識圖譜，對網絡上豐富的課程資源進行重構，為在線學習者提供個性化學習路徑推薦服務。

參考文獻

[1]何克抗.深度學習：網絡時代學習方式的變革[J].教育研究，2018，39（5）：111-115.

[2]韋怡彤，王繼新，丁茹.混合式學習環境下深度學習導向的協同知識建構模式研究：以《教育技術學導論》課程為例[J].中國電化教育，2019（9）：128-134.

[3]Biggs J. Individual differences in study processes

and the quality of learning outcomes[J].Higher edu-cation，1979，8（4）：381-394.

[4]景紅娜，陳琳，趙雪萍.基于Moodle的深層學習研究[J].遠程教育雜志，2011（3）：27-33.

[5]王亮.深度學習視角下基于多模態知識圖譜的MOOC課程重構[J].現代教育技術，2018，28（10）：100-106.

[6]劉紅晶，譚良.基于教師視角的SPOC課程知識地圖構建方法研究[J].電化教育研究，2017，38（9）：64-70.